The effect of multi-axis forging and heat treatment on the structure and mecanical properties of nickel-iron superalloy
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Письма о материалах т.2 (2012) 257-261 www.lettersonmaterials.com
УДК 669.245:539.25/.4
Влияние всесторонней ковки и термической обработки на структуру
и механические свойства никельжелезного сплава
Мухтаров Ш.Х.†, Нагимов М.И., Ермаченко А.Г.
†
shamil@anrb.ru
Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, ул. Халтурина 39, 450001 Уфа
The effect of multi-axis forging and heat treatment on the
structure and mecanical properties of nickel-iron superalloy
S.K. Mukhtarov, M.I. Nagimov, A.G. Ermachenko
Institute for Metals Superplasticity Problems RAS, Khalturin St. 39, 450001 Ufa
Проведены сравнительные исследования структуры, A comparative analysis of structure, mechanical proper-
механических свойств и поверхности изломов ультра- ties and fracture surfaces of ultrafine grained Inconel 718
мелкозернистого никельжелезного сплава Inconel 718 obtained by multiple isothermal forging is performed.
полученного всесторонней ковкой и термической обра- The refinement of structure down to 80 nm via multiple
боткой. Показано, что измельчение структуры до сред- forging results in the strength increase and in the room
него размера зерен фаз d=80 нм приводит к повышению temperature plasticity decrease. After the heat treatment
прочности при комнатной температуре с одновремен- the alloy (d=4 mm) had gained ultimate tensile strength
ным снижением пластичности. После термической об- of about 1520 MPa that is 15% higher than that of coarse
работки временное сопротивление разрыву сплава 1520 grained alloy. Room temperature fatigue test for 105 cycles
МПа, (d=4 мкм), что на 15% выше крупнозернистого. revealed the rise of the durability of heat treated alloy by 1.7
Усталостные испытания при комнатной температуре по- times as compared to the coarse grained alloy.
казали повышение прочности данного состояния сплава
на базе 105 циклов более чем в 1,7 раза по сравнению с
крупнозернистым.
Ключевые слова: ультрамелкозернистый сплав, никель-же- Keywords: ultrafine grained alloy, nickel-iron superalloy, heat
лезный сплав, термообработка, механические свойства treatment, mechanical properties
Введение решетка), а дополнительное упрочнение за счет g′ фазы
(Ni3Al(Ti), ГЦК решетка), d фазы (Ni3Nb, орторомбиче-
Известно [1], что формирование ультрамелкозернистой ская решетка) и карбидов [5]. В МЗ и УМЗ сплавах при
(УМЗ) структуры позволяет достигнуть высокого уров- ВИК на основе растворенной g″ фазы выделяется боль-
ня прочностных свойств в металлах и сплавах, в кото- шое количество d фазы, что повлияло на свойства сплава
рых традиционными методами термической обработки [2, 6].
их получить невозможно. В никельжелезном сплаве В работе [6] приведены некоторые механические
Inconel 718, широко применяемом в авиадвигателестро- свойства УМЗ сплава. Показано, что временное сопро-
ении, сформировать УМЗ структуру можно используя тивление разрыву дуплексного g+d УМЗ сплава (d=0,08-
всестороннюю изотермическую ковку (ВИК) и прокат- 0,1 мкм) при комнатной температуре 1920 МПа. Для
ку [2]. В настоящее время этот сплав в мелкозернистом данного сплава используемого в широком интервале
(МЗ) состоянии используется для изготовления панелей температур от -253 до 760°C обычно применяется тер-
сверхпластической формовкой [3]. Формирование в мическая обработка по стандартному режиму [7].
сплаве УМЗ структуры позволяет снизить температуру В связи с тем, что данных по механическим свойст-
сверхпластичности [4], что важно для труднодеформи- вам сплава Inconel 718 с УМЗ структурой после терми-
руемых сплавов на основе никеля. ческой обработки недостаточно, подобные результаты
В крупнозернистом (КЗ) сплаве Inconel 718 основ- являются весьма актуальными. Целью настоящей ра-
ное упрочнение осуществляется за счет выделения ди- боты является исследование структуры и механических
сперсных частиц метастабильной g″ фазы (Ni3Nb, ОЦТ свойств сплава Inconel 718 подвергнутого ВИК и упроч-
няющей термической обработке.
257Мухтаров Ш.Х. и др. / Письма о материалах т.2 (2012) 257-261
2. Материал и методики эксперимента Микроструктурные исследования проведены с ис-
В качестве материала исследования был выбран горяче- пользованием оптического микроскопа Olympus GX51 и
деформированный дисперсионно-твердеющий никель- сканирующего микроскопа (СЭМ) JXA-6400.
железный сплав Inconel 718 (Ni-18Cr-0.6Al-1.1Ti-18Fe-
5Nb-2.9Mo-0.1Co, % вес.), изготовленный фирмой Pratt 3. Результаты и их обсуждение
& Whitney с КЗ структурой (d=17 мкм).
Материал для исследований был получен методом При ВИК в результате деформации при высоких тем-
ВИК [1, 2, 6, 8]. Ковка проводилась с поэтапным пониже- пературах g″-фаза преобразуется в орторомбическую
нием температуры с 950 до 575°С. Суммарная степень де- d-фазу. После такой обработки с понижением темпера-
формации оценивалась по истинному относительному туры до 800°С и 575°С микроструктура исследуемого
сжатию, рассчитанному по формуле: φ = Σln(hi-1/hi), где сплава представляет собой дуплексный g+d сплав, изо-
hi-1 и h – начальная и конечная высота поковки в каждом браженный, соответственно, на Рис. 1а и 1б. Средний
проходе осадки [8]. Накопленная степень деформации размер зерен фаз был, соответственно: 1 мкм и 0,1 мкм.
составила φ = 20 для МЗ сплава и φ = 45 для УМЗ сплава. Пластины d-фазы с некогерентными границами равно-
Кованные заготовки термообработаны по режиму: от- мерно распределены в структуре.
жиг при 980°C/1 час выдержки, старение при 720°C/8 ча- Механические свойства сплава подвергнутого все-
сов, охлаждение с печью до 620°C, выдержка при 620°C сторонней ковке с различным размером зерен g и d фаз
при суммарной продолжительности старения не менее показаны в таблице 1. Свойства исследуемого дуплек-
18 часов. При этом стандартная температура обработки сного сплава, приведены в сравнение с КЗ сплавом, под-
сплава на твердый раствор может варьироваться в пре- вергнутым упрочняющей термической обработке. Про-
делах: 941-1010°C±14°C [7]. чность МЗ сплава ниже, а пластичность выше в 1,5 раза
Механические свойства на растяжение определяли по сравнению с КЗ сплавом, подвергнутым термической
при 650°C и комнатной температуре на универсальном обработке. УМЗ сплав показал повышение прочности
динамометре "INSTRON-1185"с использованием пло- ≥1,5 раза при снижении пластичности.
ских образцов, с размером рабочей части 5 мм x 2 мм x 15 Исследование поверхности изломов растянутых
мм. Длительную прочность определяли при испытании образцов показало, что при малом увеличении повер-
образцов с размерами рабочей части Æ3 мм x 18 мм на хность излома имеет зоны сдвигового разрушения
установке ATS 2330. Усталостную прочность определяли (Рис. 2а), характерные хрупкому материалу [9], а при
на испытательной машине Schenck HYDROPULS PSA 10 большом увеличении излом ямочный, субмикрометри-
при испытании образцов с размерами рабочей части Æ4 ческого масштаба (Рис. 2б), характерный для нанострук-
мм x 25 мм по схеме растяжение-растяжение. Испытания турных материалов [10].
образцов проводили при частоте 10 Гц и напряжениях При ВИК в сплаве Inconel 718 выделяется большое
910 и 696 МПа для сравнения с известными результата- количество мелких частиц d-фазы по границам g зерен,
ми [7] на промышленном сплаве. которые благоприятно сказываются на сверхпластиче-
а) б)
Рис. 1. Микроструктура сплава Inconel 718 после ВИК со средним размером зерен: (a)-1 мкм; (б)-0,08 мкм, СЭМ.
Та б л и ц а 1
Механические свойства при комнатной температуре сплава Inconel 718 подвергнутого ВИК.
Средний размер зе- Временное сопротивле- Условный предел
Фазы d, % y, %
рен фаз, мкм ние разрыву, МПа текучести, МПа
- а ≥1276 ≥1034 ≥12 ≥15
g+g″
1 [6] g+d 1184 920 21,9 22,2
0,3 [6] g+d 1560 1300 5,1 11,0
0,08 [6] g+d 1920 1845 4,8 6,1
а
после упрочняющей термической обработки по Аэрокосмической спецификации на материал АМS5662 [7].
258Мухтаров Ш.Х. и др. / Письма о материалах т.2 (2012) 257-261
а) б)
Рис. 2. Фотографии поверхности изломов УМЗ сплава (d = 0,08 мкм) при различных увеличениях.
ских свойствах этого сплава [4]. При этом уменьшение Результаты исследования на длительную прочность
среднего размера зерен g и d фаз повышает прочностные представлены в Таблице 3. Показано, что при температу-
свойства сплава при комнатной температуре более чем в ре 650°С с уменьшением среднего размера зерен g-фазы
1,5 раза по сравнению со стандартными требованиями. уменьшается длительная прочность и повышается пла-
Исследование образцов с МЗ и УМЗ структурами по- стичность. Указанные свойства получены при напряже-
сле стандартной термической обработки показало, что в нии 710 МПа, что несколько выше, чем указано в специ-
обоих состояниях формируется однородная структура фикации на материал (689 МПа) [7].
со средним размером зерен 4-5 мкм. В структуре видна В исследуемом сплаве при проведении ВИК выде-
не растворившаяся глобулярная зернограничная d-фаза ляется большое количество зернограничной d-фазы,
(Рис. 3а, б)., объемная доля которой составляет 2,9% для причем при понижении температуры деформации ее
сплава с МЗ структурой после термической обработки и объемная доля увеличивается. После проведе-
3,3% для УМЗ сплава. ния высокотемпературного отжига (980°С) по стан-
Механические свойства при комнатной температуре дартному режиму в структуре осталось некоторое ко-
сплавов после ВИК и термической обработки, представ- личество не растворившейся зернограничной d-фазы,
лены в таблице 2. Уменьшение среднего размера зерен которая сдерживала рост g зерен. В результате этого
g фазы до 4 мкм и присутствие d фазы приводит к уве- исходные МЗ и УМЗ структуры после термической об-
личению временного сопротивления разрыву на 15% и работки сохранили тенденцию различия размера зе-
условного предела текучести на 5% при комнатной тем- рен. Исследование механических свойств сплава после
пературе с тем же уровнем пластических свойств. термической обработки показало, что при уменьшении
Сравнительные усталостные испытания при комнат- среднего размера зерен g-фазы наблюдалось повышение
ной температуре термообработанных сплавов показали, временного сопротивления разрыву и условного предела
что образец МЗ сплава на базе 106 циклов не разрушил- текучести при комнатной температуре и некоторого сни-
ся, а образцы из МЗ и УМЗ сплавов на базе 105 циклов жении длительной прочности (Табл. 2, 3).
превышают свойства КЗ сплава более чем в 1,7 раза. Ис- Температура полного растворения d фазы в зависи-
следование разрушенных образцов после усталостных мости от плавки сплава колеблется от 980 до 1010°С. Та-
испытаний показало, что поверхность излома имеет ким образом, с одной стороны формирование в сплаве
ямочный вид, характерный для пластичных материалов МЗ или УМЗ структуры, посредством ВИК, способст-
(Рис. 4а, б). вует сверхпластической деформации сплава при низких
а) б)
Рис. 3. Микроструктура сплава Inconel 718 после ВИК и термической обработки (ТО): (a) – МЗ структура+TО; (б) – УМЗ
структура+TО
259Мухтаров Ш.Х. и др. / Письма о материалах т.2 (2012) 257-261
температурах. С другой стороны, варьируя температурой творение d фазы будет приводить к большему размеру
в пределах стандартной термической обработки, раство- g зерен и большему объему упрочняющих выделений
ряя d фазу и затем, выделяя g″ фазу, можно получить из g″фазы при старении. Это, несомненно, повлечет за со-
УМЗ структуры различные размеры зерен g фазы с нали- бой изменение свойств сплава.
чием или без выделений d фазы. Причем большее рас-
Та б л и ц а 2
Механические свойства сплава Inconel 718 после ВИК и ТО
Усталостная
Временное со- прочность
Условный предел Средний размер
Состояние противление d, % y, %
MПa Кол-во
текучести, МПа зерен g фазы, мкм
разрыву, МПа циклов
АМS5662[7] а ≥1034/862 ≥12/12 ≥15/15 - - -
≥1276/1000
910 б
КЗ+TО [11] 1428/1176 1180/976 19/18 20/32 11-22 10 5
696 б
10 6
MЗ+TО 910 >1.7×105
1488/1169 1234/995 17/23 23/45 5
696 >106
УМЗ+TО 1520/1164 1252/993 19/21 35/42 4 910 >1.7×105
a
при комнатной температуре / 650°C;
б
при среднем размере зерен 20 мкм [7].
а) б)
Рис. 4. Фотографии поверхности изломов образцов после усталостных испытаний: а) МЗ структура +ТО, б) УМЗ структура +ТО
Та б л и ц а 3
Длительная прочность при 650°C сплава Inconel 718 после ВИК и ТО.
Состояние Средний размер зерен g-фазы, мкм Напряжение, МПа Время, час d, % y, %
AMS 5662 - 689 ≥23 ≥4 -
КЗ+TО 11-22 48,5 17,7 23,4
МЗ+TО 5 710 29,8 20,2 61,0
УМЗ+TО 4 27,0 25,3 73,5
4. Выводы более чем в 1,7 раза превышает свойства крупнозерни-
стого сплава.
1. Показано, что с уменьшением размера зерен g фазы
до 4 мкм термически обработанного сплава Inconel 718 Литература
временное сопротивление разрыву при комнатной тем-
1. R.R. Mulyukov, A.A. Nazarov, R.M. Imaev. Russian
пературе повышается на 15% с сохранением уровня дли-
Physics Journal. 51, 492 (2008).
тельной прочности.
2. Sh. Mukhtarov, V. Valitov and N. Dudova, in: E.A. Loria (Ed.),
2. Испытания на усталость при комнатной темпера-
Superalloys 718, 625, 706, and Various. Derivatives. 507 (2005).
туре термообработанных образцов из сплава Inconel 718
3. M.W. Mahoney, in: E.A. Loria (Ed.),Superalloys 718 - metallurgi-
показали, что мелкозернистый сплав на базе 105 циклов
cal and applications. 391 (1989).
260Мухтаров Ш.Х. и др. / Письма о материалах т.2 (2012) 257-261
4. V.A. Valitov, O.A. Kaibyshev, Sh.Kh. Mukhtarov, B.P. Bewlay, 9. M.Kh. Rabinovich and M.V. Markushev. Journal of Materials
M.F.X. Gigliotti. Materials Science Forum. 357-359, 417 (2001). Science. 31, 4997 (1996).
5. Y. Huang, T.G. Langdon. J. Mater. Sci. 42, 421 (2007). 10. K.S. Kumar, S. Suresh, M.F. Chisholm, J.A. Horton, P. Wang.
6. Sh.Kh. Mukhtarov. Effect of grain size on the Superplastic behav- Acta Materialia. 51, 387 (2003).
ior of a nanostructured nickel-based superalloy. // Mater. Sci. 11. L.M. Bernshtein, A.P. Matevosian, V.S. Sandler. Deformation
Forum. 633-634, 569 (2010). and properties of aerospace material technique – Moscow.
7. http://www.specialmetals.com/documents/Inconel%20 alloy%20 Metallurgiya. (1982), 376 p. (in Russian) [Деформация и свой-
718.pdf ства материалов для авиационной и космической техники.
8. Sh.Kh. Mukhtarov, V. Valitov, M.F.X. Gigliotti, PR Subramanian, / Л.М. Бернштейн, А.П. Матевосьян, В.С. Сандлер - М.:
J.S. Marte, N. Dudova. Mater. Sci. Forum. 584-586, 458 (2008). Металлургия, 1982, 376 с.]
261Вы также можете почитать
